Aerotaguá: Motores à Combustão
Hoje vamos conhecer as mumunhas de um motor à combustão, seja ele glow ou bio-ethanol, afinal muita gente vive me perguntando como é, o que acontece, pra que serve o nitrometano... Essas coisas... Então resolvi contar o que sei, embora já tenha muita coisa na net falando sobre o assunto...
Vamos conhecer as partes de um motor, observe a figura abaixo:
É por onde vai entrar o ar e o combustível - através de uma abertura regulável para permitir mais ou menos entrada de carburante, e permitir regular a mistura para mais rica ou mais pobre.
É forrado (coberto) pela camisa (metal duro) onde o pistão (piston, êmbolo, etc) anda para cima e para baixo, "empurrado" pelo virabrequim e pela biela (é na ponta do virabrequim que fica o batente de hélice, e é nele também que aparafusamos a própria hélice), e a biela é que faz a ligação entre o virabrequim e o pistão.
Peça dentro da qual foi(foram) aberto(s) o(s) "cilindro"(s) (buracos de secção cilíndrica "escavados" no bloco onde o pistão circula para cima e para baixo, como digo acima).
É aparafusado e vedado com junta (ou óleo) na parte superior do bloco, no interior da qual se situa a câmara de combustão e onde é parafusada a vela de incandescência.
situada no topo do cilindro (será o espaço entre o pistão no PMS-Ponto morto superior - e a concavidade interior da cabeça, onde o pistão vai comprimir (empurrar para cima) a mistura entretanto introduzida pela sucção do próprio pistão. É aqui que se vai dar a explosão da mistura entretanto comprimida pelo pistão (vou explicar mais abaixo). A câmara de combustão é ligeiramente côncava no interior (dependendo da sua "altura" a relação de compressão de que falaremos mais abaixo).
(Apenas em motores de 4 tempos) É por onde entra a mistura de combustível sugada pelo pistão e por onde saem os gases após a combustão empurrados pelo pistão, para o tubo de escape.
Quando o pistão vai descendo, vai sugando (chupando) a mistura e enche o cilindro. Quando vai começar a subir (empurrado pela biela e pelo girar da cambota) vai comprimir a mistura entretanto admitida, até chegar ao cimo do dito cilindro (P.M.S.), ficando aquela quantidade de combustível comprimida num espaço bem inferior ao volume que tinha quando foi sugado pelo pistão até à base do cilindro, isto é, está comprimida na "câmara de compressão" (e não vaza pelo espaço entre o pistão e a camisa, porque o pistão tem segmento [anilha metálica de vedação bem adaptada à camisa (daí o amaciamento quando novo)] ou é em ABC (metais de dilatações diferentes que se vão adaptando e vedando o espaço entre o pistão e a camisa, não deixando "vazar" a mistura novamente para o cilindro, com a conseqüente perda de potência (menor quantidade de mistura na câmara) além de outros problemas que não vêm para o caso).
Imaginem por exemplo uma granada de mão. Tem uma quantidade de explosivo que está confinada àquele pequeno espaço. Quando incendiada, tem de partir o invólucro, para expandir os gases criados.
Se colocássemos a mesma quantidade de explosivo dentro de um tambor de 200 litros (aqueles metálicos) completamente fechado, e detonássemos o explosivo, naturalmente o tambor só ficaria mais "barrigudo" ou abriria umas pequenas fissuras, porque o espaço é muito superior.
Veja como é o corte de um motor
Na câmara de combustão é precisamente o mesmo. Quanto mais mistura for comprimida, maior será a explosão e maior será a velocidade com que o pistão desce e volta a subir, com o conseqüente aumento de rotação do virabrequim (o qual estaria ligado diretamente à hélice, ou outros acessórios). Mas o virabrequim, biela e apoios do pistão sofrem um "esforço" maior.
Agora vamos "rebaixar" o cabeçote do motor (ou tiramos anilhas vedantes ou desbastamos mesmo o metal). A câmara de combustão fica ainda menor. Portanto, a explosão vai ser ainda mais "mortífera". Ou seja, a relação volumétrica é maior. A mesma quantidade (volume) de combustível ficou tão comprimida que, se o motor estiver bastante quente, pode dar-se a auto-inflamação (explosão sem necessidade de vela), e é aqui que, muitas vezes os motores se estragam.
A título de exemplo, vamos retirar o filtro de ar a um motor de automóvel (normalmente, os aeromodelos não trazem filtro de ar, senão a afinação teria de ser diferente). O que acontece é que o ar sugado pelo pistão não encontra nenhuma resistência e entra no cilindro com muito maior facilidade. A mistura fica mais pobre (entrou mais ar do que carburante). Para "compensar" a maior entrada de ar, vamos abrir ligeiramente a entrada de combustível (normalmente, rodando o parafuso de regulação no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio) a fim de manter a mesma relação de ar-combustível.
Na prática obtém-se uma maior potência porque passou a entrar maior quantidade de mistura. Pra um cilindro que estava preparado para receber, por exemplo 300cm³ de mistura, passaram a "entrar" 350cm³ ou mais. Essa quantidade maior de mistura vai ser comprimida no mesmo espaço da câmara de compressão. A explosão vai ser mais forte com o conseqüente aumento de potência (descida mais rápida do pistão devido à força da explosão).
O princípio dos turbocompressores é o mesmo. Existem diversos sistemas mas o princípio é sempre "injetar" (empurrar) mistura para dentro do cilindro por intermédio de "ventoinhas" (espécie de "ducted fans"), por forma a aumentar o volume de mistura para uma dada câmara de compressão. Quando o pistão vai a descer e sugar a mistura, o compressor ainda "empurra" mais mistura em simultâneo.
Se um automóvel vem preparado para uma relação volumétrica de 1/8 e nós conseguimos 1/9 ou até 1/10 (dez volumes a caberem numa câmara preparada para 8 volumes), é claro que obtemos maior velocidade, mas as bielas, bronzes, cabeça, etc, vão "empenando" com o tempo, porque o fabricante calculou a resistência e resistência dos materiais para um determinado esforço, que foi ultrapassado.
Agora vamos ao escape. Já todos sabem porque é que os carros de Fórmula 1 não têm silenciadores de escape, não é verdade?
Pois! Fazem muito barulho e andam depressa! Os nossos carros familiares tem que trabalhar tão certinho e tão silenciosos! Para isso, eles tem silenciador de escape (que, para quem não sabe, é uma espécie de "labirinto" por onde têm de "circular" os gases queimados); são diversos tubos esburacados e desalinhados dos outros, por forma a diminuir a velocidade de saída dos gases (o barulho da explosão vai ficando pelo caminho, e quase não ouvimos o nosso carro trabalhar).
O tal pistão empurra os gases queimados para o tubo de escape, mas o "raio" do silenciador de escapamento está sempre a por um freio na livre circulação dos gases!
Agora, experimentem tirar o silenciador de escape, ou simplesmente montar um silenciador aberto (sem o "miolo" os tais tubos esburacados), do tipo Kadron ou outro. Que diferença! Faz um pouco mais de barulho, mas nota-se mais rendimento!
Ora aí está novamente a "livre circulação" dos gases.
O pistão já não encontra um entrave tão grande a expulsar os gases queimados então roda mais livremente já podendo "aspirar" a mistura com maior fluidez, e assim por diante (trabalha mais "solto").
Em motores de aeromodelo obten-se o mesmo efeito retirando-se a anilha cônica de dentro da mufla (escapamento). Mas prepare-se, pois o ganho de potência é da ordem de 15%, assim como o gasto com combustível, que também aumenta na mesma taxa.
O Nitrometano (FAMIGERADO...)
Primeiro vamos pensar numa lógica simples. O nitrometano aumenta a eficiência do motor, que pode se traduzir em maior eficiência na queima do combustível, então a pergunta que fica é: Como algo pode aumentar a queima (reação que libera calor) e ser responsável pelo maior resfriamento do motor? Talvez parte dessa confusão se dê em função do uso do "nitro" em carros de passeio, e seu efeito no motor desses.
No motor de um carro de passeio o que se usa é o óxido nitroso NO2, que ao entrar na câmara de combustão, se dissocia em gás oxigênio O2 e nitrogênio que vai se combinar e formar o GÁS nitrogênio N2.
No grande volume de um motor a combustão de um carro, e em função de uma grande quantidade de oxido nitroso injetado, essa combinação de N em N2, vai promover uma substancial redução da pressão, e conseqüente redução da temperatura (parecido com o que se observa no freon de freezers e geladeiras para baixar a temperatura, feita sobre a ação do compressor, e sofrendo expansão nas partes internas desses eletrodomésticos, roubando calor interno - cinética dos gases, que muitos deixam mesmo no segundo grau). A formação do O2 por sua vez torna a queima da gasolina mais eficiente, já que na queima da gasolina é obrigatória a presença do O2. Assim como o metanol dos nossos modelos.
Voltemos a falar de aeromodelos.
O nitrometano apresenta a seguinte formula química:
CH3 (NO2)
H - C - NO2
A "queima" do nitrometano se processa segundo a seguinte reação:
CH3 (NO2) + O2 --> CO2 + H2O + NO2
Balanceada a equação fica:
2CH3 (NO2) + 2O2 --> 2CO2 + 3H2O + 2NO2
Observe a presença do oxido nitroso como produto da dissociação do nitrometano, que vai se comportar exatamente como no motor do carro de passeio, porém com uma diferença. A proporção de nitrometano usado nos carros de passeio pode em algumas circunstancias triplicar a potência do motor em função de um volume relativo muito maior injetado na mistura desses motores, ficando o acréscimo de potência nos motores de modelos, apenas pela presença de oxigênio gerado na dissociação do oxido nitroso.
Então como explicar a redução de temperatura que efetivamente se observa quando utilizamos nitrometano?
Existe uma diferença básica e extremamente relevante entre o combustível dos carros de passeio e o glow usado nos modelos, a presença do lubrificante no combustível. É ai que está o pulo do gato.
Se você achou a coisa muito técnica até aqui, relaxe, pois a partir de agora tudo fica mais fácil.
Para um motor de modelo funcionar, são necessários duas coisas, combustível e ar. Simplificando podemos dizer combustível e oxigênio, cuja proporção é definida regulando o carburador até se atingir a mistura adequada para o funcionamento. Pois bem, o volume total da mistura é dependente do tamanho do motor e uma forma de aumentar a potencia é aumentando a quantidade de combustível que se pode queimar nesse mesmo espaço. Nos carros de passeio, isso pode ser conseguindo usando turbo compressores, que fazem a entrada forçada de ar e combustível na câmara de combustão, nos modelos usa-se o nitrometano que vai propiciar esse oxigênio, permitindo que nessa mistura tenha mais combustível que ar, e tendo a mesma queima eficiente sem afogar o motor ou fazê-lo apresentar as características de um motor com a "mistura gorda" (repare que a proporção oxigênio combustível se mantém igual, mas como se reduz a quantidade total de ar, pode-se ter mais combustível).
Uma vez que com o uso de nitrometano aumenta o volume de oxigênio na câmara de combustão e conseqüentemente a quantidade de combustível, como nesse (no combustível) temos óleo lubrificante, o volume de lubrificante também é proporcionalmente maior a cada ciclo do motor, o que aumenta sensivelmente a lubrificação e reduz a produção de calor pela fricção entre as partes móveis do motor.
Simplificando mais ainda, imagine que a mistura, em volume de ar e combustível total seja composta de 10 partes (Valor ilustrativo, nem pense em algo como porcentagem).
No combustível sem nitro seria uma proporção de 4 pro ar, 4 pro combustível e 2 pro óleo (4x4x2). Com nitro seria algo como 2 de ar, 5 de combustível e 3 de óleo na mistura final (2x5x3), podendo com isso os combustíveis que usam nitrometano, terem uma proporção de óleo, menor que os usados sem nitro, sem perder eficiência na lubrificação do motor.
É fácil perceber que se paga um preço por isso, que é a redução da autonomia do motor. Isso é bem evidente para aqueles que possuem além de aeromodelos carrinhos também, já que um motor 46 de aeromodelo, consome quase o mesmo que um pequeno 12 de automodelo, porém o primeiro utiliza 10% de nitrometano, e o outro pode utilizar até 30%, trabalhando em rotações superiores a 30.000 rpm e com uma concentração menor de óleo na mistura do seu combustível, já que o volume de combustível que entra na mistura é muito maior.
Agora você já sabe que o nitro não reduz a temperatura de forma mágica, ou da mesma forma que em um carro de passeio, o que ele faz é permitir uma maior entrada de combustível, e conseqüentemente de óleo, melhorando a lubrificação, aumentando a eficiência do motor por queimar mais combustível, e permitindo até que a porcentagem de óleo em um combustível com nitro possa ser menor, que em um sem nitro.